Ribosomen bepalen lading van eiwitten

Cellen zitten vol grote moleculen, waardoor bijvoorbeeld eiwitten zich minder gemakkelijk via diffusie door de cel bewegen. Dat geldt vooral voor prokaryoten, cellen zonder actief transport in het cytoplasma. Tijdens onderzoek naar de relatie tussen de ‘drukte’ in een cel, de ionsterkte en eiwitdiffusie ontdekten biochemici van de RUG iets bijzonders: positief geladen eiwitten blijven plakken aan de ribosomen. Dit verklaart waarom de meeste in water oplosbare eiwitten een negatieve lading hebben. De ontdekking verschijnt binnenkort in het tijdschrift eLife.

De snelheid waarmee eiwitten zich in cellen verplaatsen is belangrijk. Voor veel processen in de cel is het belangrijk dat macromoleculen (zoals eiwitten, DNA of RNA) elkaar tegenkomen. ‘Maar het cytoplasma in de cel is een drukke bedoening en dat heeft gevolgen voor de diffusiesnelheid van eiwitten en RNA’, zegt RUG-hoogleraar Biochemie Bert Poolman.

Drukte

Zijn onderzoeksgroep bestudeert de effecten van ‘crowding’ (zeg maar de drukte) in cellen op diffusie. Daarbij ontdekten ze een verband tussen de grootte van een eiwit en de diffusiesnelheid. ‘Maar voor sommige eiwitten vonden we die correlatie juist niet, dus wilden we weten waarom dat zo was.’ Het team gebruikte drie verschillende soorten prokaryoten (kernloze cellen) met een toenemende ionsterkte (een maat voor de hoeveelheid opgeloste zouten): de Gram-negatieve bacterie Escherichia coli, de Gram-positieve Lactococcus lactis en de extremofiele Haloferax volcanii, die leeft op plekken met zeer hoge zoutconcentraties.

Voor hun experimenten maakten de onderzoekers verschillende varianten van het eiwit Green Fluorescent Protein (GFP), met een lading van -30 tot +25. Vervolgens bekeken zij de snelheid waarmee de GFP varianten zich verplaatsten in de drie celtypen. ‘We zagen dat positief geladen eiwitten erg langzaam diffundeerden. Zij liepen vast in de cel’, legt Poolman uit. Verder onderzoek liet zien dat de positief geladen eiwitten zich niet aan DNA of de celmembraan bonden, maar aan het ribosoom complex.

Interessant

Een bioinformatica analyse van het proteoom (het totaal aan eiwitten) van micro-organismen en eukaryotische cellen liet zien dat in de meeste gevallen ongeveer 70 procent van de eiwitten een negatieve lading heeft. ‘Interessant was dat de resterende 30 procent bestaat uit ofwel membraaneiwitten of eiwitten die betrokken zijn bij de werking en vouwing van het ribosoom of boodschapper-RNA.’

De membraaneiwitten zijn tijdens hun productie afgeschermd door zogeheten chaperonnes, zodat ze niet aan de ribosomen blijven plakken. Er zijn dus eigenlijk in het cytoplasma geen ‘vrije’ eiwitten met een dermate hoge positieve lading dat ze op de ribosomen zullen gaan zitten. De negatieve lading van het ribosoom complex en de ionsterkte in het cytoplasma hebben blijkbaar de evolutie van de lading van het proteoom in de cel vormgegeven.

Onverwacht

Dit nieuwe, onverwachte inzicht dat de mobiliteit van eiwitten afhangt van de lading kan verklaren waarom het zo moeilijk is bepaalde eiwitten te laten maken door bacteriën met een lage ionsterkte. ‘Wat we zagen is dat een hoge ionsterkte de plakkerigheid van positief geladen eiwitten vermindert. Dat is een belangrijke constatering voor het ontwerpen van een expressieplatform voor eiwitten.’

Een laatste observatie uit het eLife artikel is dat het genoom van verschillende endosymbionten (cellen die in een andere cel leven) vooral bestaat uit positief geladen eiwitten. ‘Dat verbaasde ons’, erkent Poolman. ‘Je zou verwachten dat al die eiwitten worden aangetrokken door de ribosomen van de endosymbionten. We kunnen vooralsnog niet verklaren hoe deze organismen weten om te gaan met de trage diffusie en de binding van die positieve eiwitten aan hun ribosomen.’

Referentie: Paul E Schavemaker Wojciech M Śmigiel Bert Poolman: Ribosome surface properties may impose limits on the nature of the cytoplasmic proteome. eLife, online 'as accepted' 20 november. DOI: 10.7554/eLife.30084